JPS6132494B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はガスタービンエンジンに関し、特に、
高バイパス比ガスターボフアンエンジン用の軽量
で効率的な混流排気系に関する。 高バイパス比ガスタービンエンジンは、特に亜
音速飛行に使用された場合、対等のターボジエツ
トエンジンより高い効率と性能を発揮することが
証明されている。この種のエンジンでは、ガス発
生装置としてのコアエンジンは概して同心環状の
バイパスダクトによつて囲まれ、このダクトは上
流のフアンによつて圧縮された比較的低温の空気
を導く。このようなターボフアンエンジンのバイ
パス比はコアエンジンを通る空気の流量に対する
バイパスダクトを通る空気の流量によつて決定さ
れ、市販の最新式高バイパス比ターボフアンエン
ジンは４〜７対１程度のバイパス比を有する。一
般に、バイパス流とコア流は別々の同心環状ノズ
ルを通つて排出され、かくて２つの相和的な推力
成分を発生する。ある種の先進エンジンでは、両
流を混合してその混合流を共通ノズルから放出す
ることが提案されてきた。なぜなら、このように
すると推力の増強が可能であることが確認されて
いるからである。上記の同心流を効果的に混合す
るには、両流を周知の多葉形のような混流装置に
通した後単一の出口ノズルから放出することが必
要である。 このような混流装置に関する問題は、推力の利
得がしばしば装置構成部の費用、複雑さ、および
重量（航空機用の場合重要な設計要目）の増加に
よつて相殺されてしまうことである。高バイパス
比ガスターボフアンエンジン用の混流装置の設計
に関する従来の努力は、バイパス流のコアエンジ
ン流のほぼ全部を混合する設計に集中されてき
た。バイパス比が４以上の代表的なターボフアン
エンジンの場合、混流装置は非常に重くそして摩
擦抗力と混合とによるような圧力損失は非常に大
きいので、混流装置は推力と性能を高める実用的
な手段とはなり得なかつた。 しかし、航空機の重量と所望の航続距離が増す
につれ、効率と性能の向上に対する要求は高まる
一方である。ここでちよつと考慮していただきた
いことは、１％の推力増加は推力50000ポンドク
ラスのエンジンでは500ポンドの推力に等しいと
いう事実である。従つて、もし所与のスロツトル
設定値に対して比較的高い推力が得られるか、ま
たはその逆に比較的低いスロツトル設定値におい
て同一推力が得られれば、その結果燃料費をかな
り節約できる。それ故、たとえ少しでもエンジン
の全推力の向上をはかることは価値あることとな
る。しかし、常識上このような推力向上は機械的
観点と経済的観点の両方から見て実用的でなけれ
ばならない。例えば、今日何千ものガスタービン
エンジンが運転されているが、それらの多くは高
バイパス比型のものであり、構成部を改良する計
画はいかなるものもこれらの既存のエンジンにわ
ずかばかりの廉価な改変を施すものであることが
好ましい。 従つて、本発明の主目的は、排気流混合という
周知の概念を、その効果が高バイパス比ガスター
ボフアンエンジンにおいて最適となるように利用
することである。 本発明の他の目的は、推力の増加が排気系の重
量と抗力（圧力損失）の増加によつて相殺されな
いような軽量且つ効果的な形状を有する高バイパ
ス比ガスターボフアンエンジン用混流排気系を提
供することである。 本発明の他の目的は排気系全体の性能を向上さ
せるように高バイパス比ガスターボフアンエンジ
ンの同心排気流を混合する方法を提供することで
ある。 上記および他の目的と利点は以下の例示的な説
明と添付の図面からいつそう明確に理解されよ
う。 簡単に述べると、上記の目的は、実質的に２の
バイパス比に相当するバイパス流の部分だけをコ
アエンジン高温排気流と混合しそして共通のノズ
ルから放出するような高バイパス比ガスターボフ
アンエンジンにおいて達成される。残りのバイパ
ス流はもつと前方の出口面を有する外側同心環状
ノズルを通る。エンジンのバイパス比にかかわら
ず、混流装置は２のバイパス比に相当する流量だ
けを全体的に混合するように設計される。このよ
うな複合混流装置はそれをコアエンジンタービン
の後部フレームにボルト止めすることなどによつ
て既存のエンジンに容易に適合し得る。好適実施
例において、混流装置はフアンバイパスダクト出
口ノズルの下流に配置されそして超音速のフアン
バイパス流の２のバイパス比に相当する部分を取
入れる。混流装置の内部形状は、上記のバイパス
流部分をコアエンジン高温ガス流と混合する前に
亜音速になるまで拡散するような形状である。 次に本発明の実施例を添付の図面を参照して説
明する。全図にわたつて同符号は同要素に対応す
る。第１図は先行技術による代表的な高バイパス
比ガスターボフアンエンジン１０の概略を示す。
このエンジンは概してコアエンジン（即ちガス発
生機）１２と、１段のフアン動翼１５を含むフア
ン組立体１４と軸１８によつてフアン組立体１４
に連結された低圧バイパスダクトタービン１６と
からなるものと考えてよい。コアエンジン１２は
ロータ２２を有する軸流圧縮機２０を含む。エン
ジンの運転中、空気は入口２４に流入し、まずフ
アン組立体１４によつて圧縮される。この圧縮さ
れた空気の第１部分は、コアエンジン１２と周囲
のフアンナセル２８によつて部分的に画成された
フアンバイパスダクト２６に入り、そしてフアン
ノズル３０を通つて排出され、かくて推力の大部
分を発生する。圧縮空気の第２部分はコアエンジ
ン入口３２に入り、軸流圧縮機２０によつてさら
に圧縮された後、放出されて燃焼器３４に入り、
そこで燃料を燃焼させる。この燃焼によつて高エ
ネルギー燃焼ガスが発生し、タービン３６を駆動
する。タービン３６はガスタービンエンジンの通
常の仕方で軸３８を介してロータ２２を駆動す
る。次に高温燃焼ガスはフアンタービン１６に達
し、それを駆動する。フアンタービン１６はフア
ン組立体１４を駆動する。推力の残部は、ノズル
中心体４２によつて部分的に画成されたコアエン
ジンノズル４０から噴出する燃焼ガス流によつて
発生する。 前述のように、バイパス比はバイパスダクト２
６を通る空気の流量を入口３２を通つてコア圧縮
機２０に入る空気の流量で割つて得た比と定義さ
れる。周知のように、ターボフアンエンジンの推
進効率は概してそのバイパス比に比例して増加
し、そして最近の高バイパス比エンジンは４〜７
対１程度のバイパス比を有する。一例としてバイ
パス比を６と仮定すると、この空気流分割の結
果、約15％の推力がコアエンジス排気ノズル４０
で発生しそして約85％の推力がフアンバイパスダ
クトノズル３０で発生する。 バイパス流をコアエンジンの高温ガス流と混合
しそしてその混合流を共通ノズルから排出すれば
エンジン推力の増加が可能であることは既にわか
つている。この種のエンジンは一般に「デイジー
（ひなぎく形）」ミキサと呼ばれている多葉形混流
装置を具備する。このようなミキサは本件出願人
に譲渡されたライト（Wright）等の米国特許第
3377804号に記載されている。本願明細書はこの
引用特許の明細書の参照を前提とするものであ
る。このようなミキサをバイパス比が４以上のガ
スターボフアンエンジンにおいて使用すると、フ
アンバイパス流の一部分だけがコアエンジンの高
温ガス流と効果的に混合され得る。というのは、
70％を超える混合効率が設計目標である場合ミキ
サの重量と系の圧力降下が急激に増大するからで
ある。（混合過程は理想的なものではないので、
混合効率は理想推力利得に対する実際推力利得の
比と定義される）。換言すれば、非常に高いバイ
パス比のエンジンでも、もしすべてのバイパス流
をすべてのコア流と混合することを望むなら、部
材を架設しなければならないバイパス環状域の高
さが大きいのでミキサは非常に大きくならざるを
えないであろう。その結果圧力損失は増大し、ま
たミキサは非常に重くなる。すなわち、推力の増
加は重量と圧力損失の増加によつて相殺される。
従つて、比較的少量のバイパス流に限定された比
較的小形のミキサが有利な混流手段となる。 第２図は混合排気流対分離排気流の推力比をコ
アエンジン流とバイパス流の様々な温度比につい
てバイパス比の関数として示すグラフである。縦
軸は、ガスターボフアンエンジンの同心環状流が
混合されて共通ノズルを通る時の推力Fmixを
別々の流れの推力の和Fsepで割つて得た比を示
す。横軸は混合流のバイパス比β（すなわち、バ
イパス流の実際に混合される部分の流量をコアエ
ンジン高温ガス流の流量で割つたもの）を示す。
図示の曲線は定温比曲線、すなわち、コアエンジ
ンの高温排気流の全温をバイパス流の全温で割つ
て得た比が一定の曲線である。本質的に、この温
度比が高ければ高い程、バイパス比βの所与値に
おける混合による推力利得が大きくなる。第２図
は混合による圧力損失の効果を含まず、100％の
混合効率に基づく図である。 今、代表的なガスターボフアンエンジンにおけ
る次の関係を考える。 Ｆｍｉｘ／Ｆｓｅｐ ＝（Ｗｃｏｒｅ＋Ｗｂｐ）Ｖｍｉｘ／Ｗｃｏｒｅ Ｖ
ｃｏｒｅ＋Ｗｂｐ Ｖｂｐ ＝（１＋β）Ｖｍｉｘ／Ｖｃｏｒｅ＋βＶｂｐ …(1) ただしWcore＝コアエンジン流量 Wbp＝バイパス流量 Vcore＝コアエンジン流速 Vbp＝バイパス流速 Vmix＝混合流速 流体速度の近似値としてその流れの全温（Ｔ）
の平方根を用いうる。その結果方程式(1)は次式と
なる。 また、 ゆえに、

【式】 バイパス比が４でＴｂｐ／Ｔｃｏｒｅ＝１／２．８の代
表的なガスタ ーボフアンエンジンの場合、方程式(2)および(4)か
らＦｍｉｘ／Ｆｓｅｐ＝1.0279（第２図の点Ａ参照）が
得られ る。すなわち全推力は2.79％増加し得る。この数
値は、もしラム抗力のような実際の効果が含まれ
なければ、かなり高いものであるということは明
らかである。 第２図に明示されている興味深い事実は、すべ
ての温度比曲線が、少なくとも温度比のすべての
実用範囲にわたつて、約２のバイパス比において
最大値に達するという事実である。第３図は第１
図のエンジンに類似のエンジン１０′を示すが、
このエンジンは前記の現象を利用するように第１
図のエンジンを本発明に従つて改変したものであ
る。この場合、２のバイパス比に相当するバイパ
ス流部分が、フアンノズル３０から噴出した後、
複合ミキサすなわち複合混流装置４６の入口４４
に取入れられる。複合ミキサ４６はコアエンジン
１２に対して隔設された環状シユラウド４７によ
つて部分的に形成されている。上記のバイパス流
部分は多葉形のシユート付きミキサ４８において
コアエンジンの高エネルギー燃焼ガスと混合さ
れ、その結果生じた混合流が、わずかに変形され
た中心体５２によつて部分的に画成された共通の
ノズル５０を通つて後方へ排出され、かくて比較
的高いレベルの推力を発生する。本明細書で「複
合混流装置」または「複合ミキサ」という用語を
用いるのは、多葉形ミキサ４８に入るバイパス流
と、ガスターボフアンエンジンの通常の仕方でミ
キサ４８のわきを通るバイパス流の１部分とが同
時に存在するからである。 他方、もし従来の混流系が（バイパス流の全部
をコアエンジン流と混合する目的で）使われると
すれば、混合される流れの量がかなり（たぶん３
倍程）増加するので、70％の混合効率ですら推力
の利得は比較的高くなる。しかし、この利得のい
くらかは系の重量増加と内部圧力損失の増大とに
よつて相殺されるであろう。本発明の比較的小形
の複合ミキサは、内部損失を補つてなおほぼ同じ
正味推力増加をもたらす。ただしこれは重量の多
大な増加とエンジン全体に対する大幅な改変なし
になされるのである。シユート付き多葉形ミキサ
４８は、それを低圧タービンロータ５４の後部フ
レーム５６にボルト止めすることなどによつて現
存エンジンの後部に容易に取付け得る。周知のよ
うに、後部フレーム５６の典型的なものは、低圧
タービンロータンの後部を構造的に支持しそして
ミキサ４８の実際的な主装着点である。 環状シユラウド４７は複数の空気力学的形状の
支柱５８によつてコアエンジン１２と適当な離間
関係にあるように支持される。支柱５８は好まし
くは低圧タービン後部フレーム５６に取付けられ
る。ノズル３０を出るバイパス流は同ノズルに対
して超音速流であるから、シユラウド４７はその
前縁に超音速入口４４を備えて２のバイパス比に
相当するバイパス流量を取入れる。シユラウド４
７の内面６０とコアエンジン１２の外面６２は、
入口４４に入る高マツハ数バイパス流を亜音速の
コアエンジン高温排気流との混合に適する好まし
くは亜音速のマツハ数まで拡散するように形成さ
れる。 両面６０，６２に関して、従来のミキサおよび
コア中心体の設計は流れが剥離しないように一定
または先細の断面積分布を利用してきた。従つ
て、第１図の中心体４２によつて代表されるよう
な中心体は比較的大形で重かつた。ミキサ内の圧
力損失が最小になるのは流れが拡散されしかも剥
離しない時であることは理論的に証明可能であ
る。しかし、もし剥離が生ずれば、その時の損失
は加速流（先細流）において生ずる損失より多く
なるであろう。過去の設計者たちはこのような危
険をおかそうとはしなかつた。なぜなら剥離を生
じないように複雑なミキサ流路を形成することを
自信を持つて行なえるような正確な方法が無かつ
たからである。しかし、現在ではこのような形成
を可能にする方法を利用でき、その結果第３図の
中心体５２で代表されるような比較的軽量小形の
中心体と比較的高性能のミキサの形成が可能であ
る。 第３図のエンジンは、十分後方に延長するフア
ンナセルと完全な環状ミキサとを備える高バイパ
ス比エンジンに比べて他の微細なしかし重要な利
点を有する。詳述すれば、シユラウド４７によつ
て飛行中に生ずる抗力荷重は直接複合ミキサの主
強度要素に、すなわち、後部フレーム５６を介し
てコアエンジンの本体に直接受取られる。逆に、
上記延長ナセルの場合、エンジンにかかる推力荷
重は、通常エンジンの推力中心からずれた位置に
あるエンジン主スラストマウントに作用し、その
結果追加的な曲げモーメントがエンジンにかか
り、該モーメントと関連して曲げ応力とたわみが
エンジンに生ずる。これらの曲げ応力とたわみ
は、シユラウド４７とミキサ４８がコアエンジン
によつて支持される第３図のエンジンには存在し
ない。なぜなら、それらと関連する荷重はエンジ
ンにその全周にわたつて均等に伝達されるからで
ある。かくてエンジンにかかる正味反動推力荷重
を減らしそしてエンジン主スラストマウントにお
ける構造体の重量を減少しうる。この機構は本件
出願人に譲渡された米国特許出願第572647号に詳
述されており、本発明の明細昌はこの引用特許出
願の明細書の参照を前提とするものである。 本発明の別の実施例を第４図に示す。この図は
エンジンの複合ミキサの部分だけを示す拡大図で
あり、比較的短いコアエンジン（ガス発生機）６
４とそれを囲むナセル２８が示されている。ミキ
サシユラウド４７はナセル２８の後端内まで前方
に延長しそして概してそれと同心である。従つ
て、バイパスダクト内の亜音速流は２つの部分に
分割され、一方の部分は超音速でフアンノズル６
６から噴出し、残部はコアエンジンに対して２の
バイパス比をもつて、亜音速で入口４４に流入す
る。この構造では、複合ミキサ内の所要拡散量は
第３図におけるより実質的に少ない、なぜなら、
ミキサバイパス流がフアンノズル出口の前で超音
速でなく亜音速で取入れられるからである。この
ような形状は、長いコアエンジン（ガス発生機）
を使用する時その利点の幾分かを失う。特に、シ
ユラウドの長さが増大するので、構造体重量も増
加する。また、適切な内部断面積分布を得るため
コアエンジンの外側カウリングをシユラウドと両
立しうるように変形しなければならず、さらに、
通常ナセル２８の後端に配置されるフアン逆推力
装置（図示せず）を改変する必要がある。本質
上、複合ミキサを既存エンジンの後部にボルト止
めなどによつて簡単に取付けるという利点は少な
くとも部分的に失なわれるであろう。従つて第３
図の実施例は比較的長いコアエンジンに好適であ
る。 当業者に明らかなように、前述の実施例に対し
て本発明の広範な概念を逸脱することなく幾多の
改変が可能である。例えば、第２図から明らかな
ように、複合混流装置に最適なバイパス比は温度
比のすべての値に対して正確に２というわけでは
ない。特許請求の範囲では実質的に２のバイパス
比と記載してあるが、これは２から少々逸脱した
数値も本発明の新規な概念の範囲内にあることを
意味する。更に、本発明の複合混流装置を高バイ
パス比ターボフアンエンジンに取付けるため多く
の方法を採用し得るであろう。低圧タービン後部
フレームに取付けるという前述の概念は上記の可
能性の一例を示唆するに過ぎない。加えて、本発
明の軸対称ノズルだけでなく非対称ノズルにも同
等に適用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術による代表的な高バイパス比
ガスターボフアンエンジンの部分切除概略図、第
２図は混合排気流対分離排気流の推力比をコアエ
ンジン流とバイパス流の様々な温度比についてバ
イパス比の関数として示すグラフ、第３図は本発
明によつて改変された第１図のエンジンの概略
図、第４図は本発明の代替実施例を示す第３図の
エンジンに類似のエンジンの拡大図である。 ２８…フアンナセル、３０，３６…フアンノズ
ル、４４…複合ミキサ入口、４６…複合ミキサ
（複合混流装置）、４７…環状シユラウド、４８…
多葉形ミキサ、５０…共通ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コアエンジンと、バイパスダクトを該コアエ
   ンジンとの間に形成するように該コアエンジンか
   ら半径方向に離間してそれを包囲するナセルと、
   該ナセル内に空気圧縮用フアンとを備え、圧縮空
   気の第１部分が前記コアエンジンに流入して高温
   ガス流を発生し、圧縮空気の第２部分がバイパス
   流として前記バイパスダクトに流入するガスター
   ビンエンジンであつて、環状域を前記コアエンジ
   ンとの間に形成するように該コアエンジンから半
   径方向に離間してそれを包囲するシユラウドを含
   み、該環状域への入口は前記ナセルの下流に存し
   且つ実質的に２のバイパス比に相当するバイパス
   流の部分を取入れる寸法であり、この取入れた部
   分を高温ガス流と混合する混流装置を含むガスタ
   ービンエンジン。 ２ 前記混流装置が多葉形混流装置である、特許
   請求の範囲第１項記載のガスタービンエンジン。 ３ コアエンジンと、バイパスダクトを該コアエ
   ンジンとの間に形成するように該コアエンジンか
   ら半径方向に離間してそれを包囲するナセルと、
   該ナセル内に空気圧縮用フアンとを備え、圧縮空
   気の第１部分が前記コアエンジンに流入して高温
   ガス流を発生し、圧縮空気の第２部分がバイパス
   流として前記バイパスダクトに流入するガスター
   ビンエンジンであつて、環状域を前記コアエンジ
   ンとの間に形成するように該コアエンジンから半
   径方向に離間してそれを包囲するシユラウドを含
   み、該環状域は前記バイパスダクト内に入口を有
   し且つ実質的に２のバイパス比に相当するバイパ
   ス流の部分を取入れる寸法であり、この取入れた
   部分を高温ガス流と混合する混流装置を含み、更
   に出口端部は前記ナセルの下流に存するガスター
   ビンエンジン。 ４ 前記バイパスダクトが出口ノズルで後端し、
   前記環状域の入口が前記バイパスダクト出口ノズ
   ルの上流に存する特許請求の範囲第３項記載のガ
   スタービンエンジン。 ５ 高温ガス流及び概して同心環状のバイパス流
   とを発生するコアエンジン及びバイパスダクトを
   有する高バイパス比ガスタービンエンジンであつ
   て、該バイパス流を２つの部分に分割する、前記
   バイパスダクトの下流で終端するシユラウドを含
   み、一方の部分は実質的に２のバイパス比に相当
   し混流装置を通つてそこで高温ガス流と混合し、
   その後共通ノズルを通つて通過し、他方の部分は
   前記混合したバイパス流部分と同心の流れとして
   シユラウドの回りを辻回するガスタービンエンジ
   ン。 ６ 高温ガス流を発生するコアエンジンと、該コ
   アエンジンと略同心でバイパス流の通路のための
   バイパスダクトと、該バイパスダクトの下流にシ
   ユラウド端部を有するガスタービンエンジンを作
   動する方法において、実質的に２に相当するバイ
   パス流の部分のみを、前記バイパス流に浸つたシ
   ユラウドとコアエンジンとの間に形成された環状
   域に通し、残りの前記バイパス流を前記シユラウ
   ドの外側に回す方法。